CN2686112Y

CN2686112Y - 宽带硅微机械双频微带天线

Info

Publication number: CN2686112Y
Application number: CN 200320115360
Authority: CN
Inventors: 钟先信; 余文革
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2013-12-09

Abstract

宽带硅微机械双频微带天线，具有单晶硅片、接地板、微带金属贴片、馈电探针和接头，其结构特点是在单晶硅片的一侧生成有二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层之上沉积并刻蚀有微带金属贴片，将贴片的一边短接，在与短接边垂直的另一边的合适位置附加一条相对于该边而言较长的微带线，形成双频工作。该天线可减少现有无线通信装置所需天线的数量，从而实现无线通信装置的微型化，减小天线的尺寸，增大天线带宽，有效降低表面波激励，提高天线工作效率，并使其易于与其它电路元件集成。

Description

宽带硅微机械双频微带天线

技术领域

本实用新型属于无线通信装置的微型天线技术领域，具体涉及一种适用于双向无线通信系统，既能接收，同时能发射信号的宽带硅微机械短接式双频微带天线。

技术背景

由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，以及快速发展的MEMS技术使得无线通信设备的小型化成为可能，微带天线以其体积小、低剖面、能与载体共形，易于制造，成本低，易于与有源器件和电路集成为单一的模件，便于实现圆极化、双频段等优点而得到日益广泛的关注和应用。微带天线的主要缺点是其带宽较窄，而目前通信设备要实现小型化，就必须减少系统所需的片外分立元件的数量，因而宽频带和双频段微带天线则成为需求的一种必然趋势。具有双频工作特性的微带天线的实现一般采用多片法、多模单片法以及加载单片法。

与本实用新型密切相关的技术之一是《吉林大学学报》(信息科学版版)2002年第1期(3月)第44-49页《一种双频微带天线方案的分析与设计》中的双频微带天线，但该方案是采用加载缝隙法使微带天线形成双频工作，运用以矩量法为原理的软件(Ensemble和HFSS)加以分析，进而建立起双频微带天线的模型，该微带天线不是在硅片上，天线的尺寸较大，且不易与其他电路元器件集成在一起。由于未采用有效的措施降低等效谐振电路的Q值及表面波激励，天线的带宽较窄，辐射效率较低。另一种相关技术是《雷达与对抗》2003年第1期第28-30页的论文《两种双频微带天线的分析与设计》，该文中采用了双层贴片结构(多片法)及单层加载贴片的方法形成双频工作，两种微带天线的基底材料均不是用的硅片，因而也不易与其他电路器件集成在一起，这两种双频微带天线的频带均比较窄。

发明内容

本实用新型针对微带天线带宽窄的缺点，以及目前无线通信装置对双频微带天线的需求，目的在于提供一种宽带硅微机械双频微带天线，该天线可减少现有无线通信装置所需天线的数量，从而实现无线通信装置的微型化，减小天线的尺寸，增大天线带宽，可有效降低表面波激励，提高天线工作效率，并使其易于与其它电路元件集成。

本实用新型的技术方案如下：

宽带硅微机械双频微带天线，具有单晶硅片、接地板、微带金属贴片、馈电探针和接头，其结构特点是在单晶硅片的一侧生成有二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层之上沉积并刻蚀有微带金属贴片，将贴片的一边短接，在与短接边垂直的另一边的合适位置附加一条相对于该边而言较长的微带线，形成双频工作。

进一步，在单晶硅片与接地板之间夹一层特氟珑(TEFLON)，形成混合基底。

以上的微带金属贴片的形状可以根据实际需要采用其他形状，如U型或E型等。

本实用新型的有益效果是：(1)此结构由于独特的微带线设计，相当于负载加载，可使微带天线形成双频工作，该结构简单的天线既能接收信号，同时又能发射信号，满足双向无线通信系统的需要，从而减少无线通信装置所需天线的数量，实现无线通信装置的微型化；(2)此结构将贴片的一端与接地板短接，可显著缩小天线的尺寸，实现天线的微型化，这样制作的天线尺寸只有1/16-1/13波长；(3)可采用微机械工艺，进行大规模生产，成本低；(4)由于是在硅片上制作，可以方便地与硅或砷化镓等集成电路集成在一起，为最终和其他电路元件集成为单芯片收发系统创造了有利的条件；(4)采用此结构，适当的调节附加微带线的长度，天线的10dB带宽可达到8％，而传统半波微带天线的带宽仅为0.6-3％，因而带宽大大增大；(5)此结构中在硅片与接地板之间夹一层特氟珑，可降低基底等效相对介电常数，减小表面波动激励，天线效率可达78％；(6)当用于手机或无绳电话时，此结构天线能滤掉GSM传送或接收频段以外的频率，同时可以明显减小电磁波对人体的伤害，这是传统的单极天线无法比拟的。

附图说明

图1是本实用新型的结构顶视图。

图2是本实用新型的结构侧视图。

图3是实验测试及用FDTD、H-MRTD计算所得的回波损耗S₁₁曲线。

图4是实验测试及用理论、H-MRTD计算所得的史密斯曲线。

图5是实验测试的同传统用于蜂窝电话的单极天线相比较而言的散射参量S₁₂曲线。

具体实施方式

图中，1-微带金属贴片，2-同轴馈电探针，3-附加微带线，4-短路边，5-标准微波接头，6-接地板，7-特氟珑(TEFLON)，8-单晶硅片，9-二氧化硅绝缘层，10-短路墙

参见图1和图2，本天线的制作过程如下：

(一)、先按要求设计好天线的几何尺寸，采用微机械加工工艺，在单晶硅片8的一侧生长一层1微米厚的二氧化硅绝缘层9，然后在该侧面淀积并刻蚀出1微米厚微带金属贴片1，贴片的形状为矩形。按设计的尺寸将制作好的硅片切割下来；

(二)、用铜板或铝板按设计尺寸制作接地板6；

(三)、在接地板6上覆盖一层特氟珑(TEFLON)7；

(四)、用环氧树脂将制作完毕的单晶硅片8粘贴到特氟珑(TEFLON)上，用一块金属薄片将金属贴片1和接地板6短接起来。短路墙10和接地板6之间用焊接连接，而与金属贴片1间的连接则采用导电胶粘接；

(五)、选取同轴馈电探针2的位置，使金属贴片1阻抗匹配50欧姆；

(六)、在与金属贴片1的短路边4垂直的另一边附加一条微带线；附加微带线3的起点S选择在距短路边4垂直距离1mm处，长度较该边略长；

(七)、在一块矩形金属条上按要求钻一个圆孔，使得标准微波接头5内导体能够通过，做成金属挡板；

(八)、将金属挡板垂直地焊接在接地板6上，最后根据设计的馈电处装上标准微波连接头5；

图3为设计制作的GSM频段宽带硅微机械双频微带天线的回波损耗S₁₁曲线，图4为天线的史密斯曲线，图5为与传统单极天线相比较而言的散射参量S₁₂的曲线。由图3的测试曲线和用数值计算方法FDTD及H-MRTD的计算结果可以看出，天线能同时工作于接收频段935-960MHz和发射频段890-915MHz，即实现双频工作。天线的10dB带宽为8％以上，比传统的微带天线带宽(10dB带宽一般为0.6-3％)提高了2-3倍。从测试及计算的史密斯曲线可以看到天线阻抗匹配良好。从图5可以看出，此种天线可以滤掉非GSM频段的频率，相对于传统的单极天线而言，天线辐射效率更高。对人体的电磁辐射也大大减小。

Claims

1.宽带硅微机械双频微带天线，具有单晶硅片、接地板、微带金属贴片、馈电探针和接头，其特征在于：在单晶硅片的一侧生成有二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层之上沉积并刻蚀有微带金属贴片；微带金属微贴片的一边和接地板短接；在与短接边不平行的另一边的合适位置附加一条相对于该边而言较长的微带线，形成双频工作。

2.根据权利要求1所述的宽带硅微机械双频微带天线，其特征在于：在单晶硅片与接地板之间夹一层介质特氟珑，形成混合基底。

3.根据权利要求1或2所述的宽带硅微机械双频微带天线，其特征在于：接地板采用铜板或铝板。